文/卞正文·揚(yáng)州恒德工業(yè)科技有限公司

基于DEFORM與ANSYS Workbench的熱鍛模具設(shè)計(jì)

文/卞正文·揚(yáng)州恒德工業(yè)科技有限公司

在汽車穩(wěn)定桿熱鍛模具的實(shí)際生產(chǎn)中，針對(duì)其交貨周期短、品種繁多的特點(diǎn)，采用DEFORM與ANSYS Workbench軟件進(jìn)行相關(guān)的仿真設(shè)計(jì)，達(dá)到快速、有效、通用的目的。

穩(wěn)定桿是汽車懸架中的一種輔助彈性元件，它的作用是防止車身轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生過大的橫向側(cè)傾，防止汽車橫向側(cè)翻和改善平順性。目前，中國汽車產(chǎn)量已躍居世界第一，2014年全年汽車產(chǎn)銷量分別為2372.29萬輛和2349.19萬輛，2015年預(yù)計(jì)突破3000萬輛。大眾、BYD、長(zhǎng)城等品牌為搶占市場(chǎng)，幾乎每年都有升級(jí)型汽車問世，新能源、新概念汽車也層出不窮。因此，穩(wěn)定桿作為一種大批量生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，但品種相對(duì)繁多的工業(yè)產(chǎn)品，其每年的需求量是巨大的。

熱鍛模具是生產(chǎn)穩(wěn)定桿的重要工裝之一，由于工作條件十分惡劣，熱鍛模需要在高溫、高壓、高摩擦和反復(fù)加熱與冷卻這樣極其惡劣環(huán)境下工作。與約1000℃高溫的金屬坯料直接接觸，脫模后溫度劇烈下降，金屬表層容易形成網(wǎng)狀裂紋，經(jīng)擴(kuò)展便產(chǎn)生熱疲勞斷裂，降低壽命。由于以上因素，熱鍛模的壽命普遍不高，再加上品種過于復(fù)雜，需要經(jīng)常更換上、下模，給企業(yè)生產(chǎn)安排與成本控制造成了很大影響。

怎樣提高模具的通用性，達(dá)到更換快速、安全系數(shù)高的熱鍛模具結(jié)構(gòu)要求是生產(chǎn)企業(yè)與專業(yè)模具企業(yè)需要解決的問題。為解決以上問題，本文在原有模具結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，并通過先進(jìn)的分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，改進(jìn)了汽車穩(wěn)定桿熱鍛模具設(shè)計(jì)方法。

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車穩(wěn)定桿熱鍛模模具結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，與沖壓模具的結(jié)構(gòu)基本相同。目前，典型的模具結(jié)構(gòu)是模架與上、下模使用螺桿與定位銷連接，無法做到模塊化設(shè)計(jì)，并且這種結(jié)構(gòu)的通用性與互換性不高。現(xiàn)有的模具結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)方法有了很大的改善。圖1所示為新結(jié)構(gòu)模具總裝圖。

此新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為：

⑴模具精度高，采用3面定位方式，并用上、下?？刂颇＞呔?。

⑵模塊化程度高，減少了大量的調(diào)試時(shí)間，有利于批量化的生產(chǎn)，模具管理也更為便捷。

⑶模具更換迅速，只需松開壓板螺釘，無需拆換模具即可進(jìn)行，安裝時(shí)同樣方便簡(jiǎn)捷。

⑷安裝模具時(shí)，操作人員無需將手伸入上、下模座之間操作，安全系數(shù)高。

以上設(shè)計(jì)基本是按照原有設(shè)計(jì)思路進(jìn)行的，主要是靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與一定的理論計(jì)算完成的。在此基礎(chǔ)上引入CAE分析軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

圖1 新結(jié)構(gòu)模具總裝圖

基于DEFORM的上、下模仿真設(shè)計(jì)

使用DEFORM軟件對(duì)上、下模進(jìn)行成形分析與模具應(yīng)力分析，一般步驟為：將SLDPRT格式轉(zhuǎn)換成STL格式，將工件導(dǎo)入DEFORM，設(shè)置材料及工作溫度并進(jìn)行網(wǎng)格化，插入工件及上、下模并設(shè)置參數(shù)生成數(shù)據(jù)，運(yùn)行并做后處理。圖2所示為工件成形的狀態(tài)圖，由圖可得到以下結(jié)論。

⑴可以了解工件受鍛壓后的狀態(tài)，仿真結(jié)果可以顯示飛邊情況以及產(chǎn)生局部缺陷的位置情況，這些與工件伸入模具的長(zhǎng)度有關(guān)。此數(shù)據(jù)以往以經(jīng)驗(yàn)為主并參考試模時(shí)的實(shí)際情況來確定最終工件長(zhǎng)度。

⑵可以判斷工件所受應(yīng)力情況，從而判斷是否符合模具要求。

⑶可以顯示模具應(yīng)力情況并分析。模具應(yīng)力分析是在成形分析基礎(chǔ)上進(jìn)行的，導(dǎo)入成形分析數(shù)據(jù)，對(duì)上、下模進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并設(shè)置上、下模支撐，進(jìn)行后處理，在此過程中不需要對(duì)工件進(jìn)行分析，只需分析上、下模應(yīng)力情況即可。

圖2 載荷-行程曲線及最大載荷圖

基于ANSYS Workbench的模架仿真設(shè)計(jì)

使用ANSYS Workbench軟件對(duì)整體模架進(jìn)行仿真分析，基本過程為定義材料→網(wǎng)格劃分→定義邊界條件→計(jì)算求解，圖3、圖4所示為整體應(yīng)力情況與位移情況，主要得到以下數(shù)據(jù)。

⑴現(xiàn)有情況下的應(yīng)力與位移情況。

根據(jù)DEFORM軟件仿真的結(jié)果，將數(shù)據(jù)代入其中，將此結(jié)果設(shè)置成邊界條件，可以形成整體應(yīng)力云圖與位移云圖。

根據(jù)應(yīng)力云圖與位移云圖，可知最大應(yīng)力值與位移值及其發(fā)生位置。為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考依據(jù)，改進(jìn)后，同樣可以進(jìn)行驗(yàn)證。

⑵極限載荷時(shí)的仿真結(jié)果。

此模架屬于通用模架，除針對(duì)此套模具外，還要符合其他同類型模具的要求，因此可通過仿真設(shè)計(jì)得出其加載的極限力。

由極限情況下的應(yīng)力云圖與位移云圖，綜合考慮材料強(qiáng)度要求及許用應(yīng)力，得出該模架的極限情況，從而得到其實(shí)用的極限條件，為以后的新模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造過程中提供參考依據(jù)。

圖3 整體應(yīng)力云圖

圖4 整體位移云圖

結(jié)束語

通過DEFORM與ANSYS Workbench軟件對(duì)上、下模腔、材料成形過程及模架整體結(jié)構(gòu)的分析，得出相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)整體模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，可判斷設(shè)計(jì)的模具是否符合要求，盡可能的減少試模過程，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度與效率，目前，該結(jié)構(gòu)模具已在實(shí)際加工中得到使用，取得了明顯效果。